(57)【要約】【課題】燃料電池スタックあるいは各セルの組み付け時における締め付け加重を容易に調整可能とする。【解決手段】燃料電池スタックの端部に、印加加重により色が変化する感圧材１０を配設する。エンドプレート２２を透明樹脂とし、締め付け時の加重を感圧材１０の色で確認する。予め感圧材１０の加重とＭＥＡの加重との関係を測定しておき、感圧材１０の加重（色）がＭＥＡに印加されるべき適正加重に対応する加重（色）となるように締め付ける。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
膜−電極アセンブリとセパレータを含むセルを複数積層したセル積層体に対して積層方向に荷重を印加しつつ組み付けてなる燃料電池スタックであって、
前記セル積層体の積層方向端面に感圧材を配置し、
前記感圧材を介して積層方向に締め付けてなることを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項２】
前記感圧材は、加重により色が変化する材料から構成されることを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項３】
膜−電極アセンブリ及びセパレータを有する燃料電池セルであって、
セル端部に感圧材を配置し、
前記感圧材を介して締め付けてなることを特徴とする燃料電池セル。
【請求項４】
前記感圧材は、加重により色が変化する材料から構成されることを特徴とする燃料電池セル。
【請求項５】
膜−電極アセンブリとセパレータを含むセルを複数積層したセル積層体に対して積層方向に荷重を印加してセル積層方向に締め付けてなる燃料電池スタックの製造方法であって、
前記セル積層体の積層方向端面に、印加加重により色が変化する感圧材を配置し、
前記感圧材の色が、前記感圧材の色と前記膜−電極アセンブリに印加されるべき適正加重との関係に基づいて設定された所定色となるまで加重を印加して締め付けることを特徴とする燃料電池スタックの製造方法。
【請求項６】
膜−電極アセンブリとセパレータを含む燃料電池セルの製造方法であって、
前記セル端部に、印加加重により色が変化する感圧材を配置し、
前記感圧材の色が、前記感圧材の色と前記膜−電極アセンブリに印加されるべき適正加重との関係に基づいて設定された所定色となるまで加重を印加して締め付けることを特徴とする燃料電池セルの製造方法。
【請求項７】
膜−電極アセンブリとセパレータを含む燃料電池セルの加重調整方法であって、
前記セル端部に、印加加重により色が変化する感圧材を介して透明な温水流路を配置し、
前記温水流路に温水を供給して前記セルの温度を所定温度に維持しつつ、前記感圧材の色が、前記感圧材の色と前記膜−電極アセンブリに印加されるべき適正加重との関係に基づいて設定された所定色となるまで加重を印加して締め付けることを特徴とする燃料電池セルの加重調整方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池スタック、燃料電池セル及びその製造方法並びにその加重調整方法に関し、特に燃料電池スタックの締結加重の調整に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池スタックの締め付け加重は、電極接触抵抗を低減するためにスタック電極部の横断面全域にわたって均一かつ適正値であることが必要である。
【０００３】
図３及び図４に、下記の特許文献に開示された燃料電池スタックの構成を示す。固体高分子電解質型燃料電池は、膜−電極アセンブリ（ＭＥＡ：Membrane-Electrode Assembly）とセパレータ１８とから構成されるセル１９を積層して構成される。ＭＥＡは、イオン交換膜からなる電解質膜１１と、この電解質膜の一面に配置された触媒層１２からなる電極１４（アノード、燃料極）および電解質膜の他面に配置された触媒層１５からなる電極１７（カソード、空気極）とから構成される。ＭＥＡとセパレータとの間には拡散層１３、１６が設けられる。セパレータ１８には、アノード、カソードに燃料ガス（水素）および酸化ガス（酸素、通常は空気）を供給するためのガス流路２７、２８および／または燃料電池冷却用の冷媒（通常、冷却水）を流すための冷媒流路２６が形成される。１以上のセルを重ねてモジュールとし、モジュールを積層してセル積層体を構成し、セル積層体のセル積層方向両端に、それぞれ、ターミナル２０、インシュレータ２１、エンドプレート２２を配置してセル積層体をセル積層方向に締め付け、セル積層体の外側でセル積層方向に延びるテンションプレート２４とエンドプレート２２とをボルト、ナット２５で固定して、燃料電池スタック２３を構成する。セル積層方向は鉛直方向でも水平方向でもよく、任意である。また、セル積層体はスポンジなどからなる外部拘束部材５０によって側面が押さえられている。そして、セル積層体を含む燃料電池スタック２３内にスプリングモジュール３０がセル積層方向にセル積層体に直列に組み付けられている。このスプリングモジュール３０は、相対的に傾斜かつ変位可能な第１の部材および第２の部材と、第１、第２の部材間に、互いに並列および／または直列に配置された、互いに独立の、複数のスプリングとから構成される。
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−２８８６１８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
このように、従来の燃料電池スタックでは、セル積層体をセル積層方向に締め付け、セル積層体の外側でセル積層方向に延びるテンションプレート２４とエンドプレート２２とをボルト、ナット２５で固定して燃料電池スタック２３を構成しているが、締め付け加重が適正か否かを簡易に判断することができず、締め付け加重の不安定化による接触抵抗増大や燃料電池の性能ばらつきを招く問題があった。
【０００６】
本発明の目的は、燃料電池スタックあるいは燃料電池セルの組み付け時の締め付け加重を容易に調整できる技術を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、膜−電極アセンブリとセパレータを含むセルを複数積層したセル積層体に対して積層方向に荷重を印加しつつ組み付けてなる燃料電池スタックであって、前記セル積層体の積層方向端面に感圧材を配置し、前記感圧材を介して積層方向に締め付けてなることを特徴とする。
【０００８】
また、本発明は、膜−電極アセンブリ及びセパレータを有する燃料電池セルであって、セル端部に感圧材を配置し、前記感圧材を介して締め付けてなることを特徴とする。
【０００９】
また、本発明は、膜−電極アセンブリとセパレータを含むセルを複数積層したセル積層体に対して積層方向に荷重を印加してセル積層方向に締め付けてなる燃料電池スタックの製造方法であって、前記セル積層体の積層方向端面に、印加加重により色が変化する感圧材を配置し、前記感圧材の色が、前記感圧材の色と前記膜−電極アセンブリに印加されるべき適正加重との関係に基づいて設定された所定色となるまで加重を印加して締め付けることを特徴とする。
【００１０】
また、本発明は、膜−電極アセンブリとセパレータを含む燃料電池セルの製造方法であって、前記セル端部に、印加加重により色が変化する感圧材を配置し、前記感圧材の色が、前記感圧材の色と前記膜−電極アセンブリに印加されるべき適正加重との関係に基づいて設定された所定色となるまで加重を印加して締め付けることを特徴とする。
【００１１】
また、本発明は、膜−電極アセンブリとセパレータを含む燃料電池セルの加重調整方法であって、前記セル端部に、印加加重により色が変化する感圧材を介して透明な温水流路を配置し、前記温水流路に温水を供給して前記セルの温度を所定温度に維持しつつ、前記感圧材の色が、前記感圧材の色と前記膜−電極アセンブリに印加されるべき適正加重との関係に基づいて設定された所定色となるまで加重を印加して締め付けることを特徴とする。
【００１２】
本発明では、燃料電池スタックの端面あるいは各セルの端面に感圧材を配設し、締め付け時の荷重を感圧材で検出することで簡易に締め付け荷重を調整する。感圧材における荷重と膜−電極アセンブリ（ＭＥＡ）における荷重との関係は予め測定され、この関係に基づき感圧材の荷重からＭＥＡに印加されている荷重を算出（推定）して調整する。本発明の１つの実施形態では、感圧材として印加荷重により色が変化する感圧材が用いられる。燃料電池スタックあるいは各セルの最外面は、感圧材を外部から視認できるように透明部材で構成される。燃料電池スタックあるいはセルの組み付け時に、感圧材の色を確認しつつ締め付けることで、印加加重を容易に調整できる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、燃料電池スタックあるいは各セルの締め付け時の印加加重を容易に調整できる。これにより、燃料電池内の接触抵抗を所望値に設定でき、燃料電池の性能を安定化できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、図面に基づき本発明の実施形態について説明する。
【００１５】
図１に、本実施形態に係る燃料電池スタックの構造を示す。図３に示す構造と略同一であるが、異なる点は、インシュレータ２１とエンドプレート２２との間に感圧材１０が配設されていること、エンドプレート２２が透明樹脂で構成されていること、である。感圧材１０は、印加される加重によりその色が変化する紙（感圧紙）で構成され、印加加重が増大するにつれ、例えば色が白から赤に順次変化する。感圧紙は周知であり、その原理はマイクロカプセルが外部から圧力を受けてカプセルの殻が壊れ、カプセル内の発色剤が染み出して顕色剤と化学反応して色素を生成するものである。上記のように、セル積層体をセル積層方向に締め付け、セル積層体の外側でセル積層方向に延びるテンションプレート２４とエンドプレート２２とをボルト、ナット２５で固定して燃料電池スタック２３を構成するが、締め付け時の加重により感圧材１０の色が変化し、色の変化を透明樹脂で構成されるエンドプレート２２を通して外部から視認できる。
【００１６】
したがって、組み付け作業者は、感圧材１０の色を確認しながら締め付けることで、現在どの程度の加重（締め付けトルク）で締め付けているかを容易に確認することができる。一方、予めＭＥＡに印加される加重と感圧材１０に印加される加重との相関関係を求めておき、ＭＥＡに印加されるべき適正加重に対応する感圧材１０の加重及びそのときの感圧材１０の色（これを適正色と称する）を求めておく。図２に、感圧材１０の加重とＭＥＡの加重との関係を示す。一般に、両者は比例関係にある。締め付けに用いられるボルトの種類や状態により両者の関係は変化し得るため、用いられるボルトの種類や状態毎に両者の関係を測定しておくことが好適である。燃料電池スタックが有すべき電流電圧特性（Ｉ−Ｖ特性）から所望の電極接触抵抗が求められ、この電極接触抵抗を得るための所望の加重ｆｄが求められる。そして、所望の加重ｆｄに対応する感圧材１０の加重ｆｓ（つまり感圧材の色）が図２の関係から一義的に求められる。組み付け作業者は、締め付け時の感圧材１０の色と適正色とを対比し、感圧材１０の色が適正色に変化した時点で締め付けを終了することで、ＭＥＡに適正加重を印加することができる。
【００１７】
図１では燃料電池スタックの一端に感圧材１０を配設しているが、もちろん他端にも感圧材１０を配設することができる。他端側にはスプリングモジュール３０が設けられているが、このスプリングモジュール３０とエンドプレート２２との間に配設すればよい。
【００１８】
また、上記の説明では、組み付け作業者が感圧材１０の色を目視しながら締め付け加重を調整するとしたが、燃料電池スタックを端部方向からカメラで撮影し、透明なエンドプレート２２を介して得られた感圧材１０の画像をコンピュータに供給してもよい。コンピュータのプロセッサは、画像内における感圧材１０の色を予めメモリに記憶された適正色と照合し、両者が一致しているか否かを判定してその判定結果をディスプレイに表示する。組み付け作業者は、コンピュータのディスプレイを視認しながら締め付けを行い、ディスプレイに両者が一致する旨のメッセージが表示された時点で締め付けを終了すればよい。コンピュータのメモリには、図２に示された感圧材１０の荷重とＭＥＡの荷重との相関関係をボルトの種類毎に記憶させておく。組み付け作業者は、ＭＥＡに印加すべき適正荷重及び締め付けに用いるボルトの種類をコンピュータに入力する。コンピュータのプロセッサは、メモリに記憶された複数の相関関係から、そのボルトに応じた相関関係を検索し、入力された適正荷重に対応する感圧材１０の荷重並びに適正色を検索する。検索して得られた適正色を撮影画像内の感圧材１０の色と比較する。適正色及び撮影画像内の感圧材１０の色をともに色温度に換算し、色温度同士で比較してもよい。ここに、色温度とは黒体をどの温度に熱したときに発する色かの判定をし、そのときの絶対温度をいう。色温度の差分値が許容範囲内となった時点で両色が一致すると判定する。締め付けは、作業者が手作業で行う他、締め付け機により自動化してもよい。締め付け機のトルクは、コンピュータの判定結果に基づく制御信号により制御される。
【００１９】
また、上記の説明では、燃料電池スタックについて説明したが、燃料電池スタックを構成する各セルにおいても、同様に感圧材を配設して締め付け荷重を調整することができる。燃料電池スタックを構成する各セルの特性を測定する際にセル単体で締め付け加重を調整する必要が生じ、この際に感圧材を配設する。各セルは図４に示すように、ＭＥＡとセパレータ１８を含んで構成される。ＭＥＡは、イオン交換膜からなる電解質膜１１と、この電解質膜の一面に配置された触媒層１２からなる電極１４（アノード、燃料極）および電解質膜の他面に配置された触媒層１５からなる電極１７（カソード、空気極）とから構成される。ＭＥＡとセパレータとの間には拡散層１３、１６が設けられる。セパレータ１８には、アノード、カソードに燃料ガス（水素）および酸化ガス（酸素、通常は空気）を供給するためのガス流路２７、２８および／または燃料電池冷却用の冷媒（通常、冷却水）を流すための冷媒流路２６が形成される。拡散層１３、１６とガス流路との間に集電体及びテフロン（登録商標）を配設し、テフロン（登録商標）の外側あるいはさらにガスケットを配設して該ガスケットの外側に感圧材１０を配設する。感圧材１０の外側に透明樹脂を配設する。なお、透明樹脂内にＭＥＡを一定温度に維持するための温水を供給してもよい。透明温水流路を介してボルトとナットでセルを積層方向に締め付ける。締め付け時の加重は透明温水流路を介して感圧材１０の色変化で視認できる。この場合にも、燃料電池セル単体におけるＭＥＡの加重と感圧材１０の加重との関係を予め測定しておき、ＭＥＡの適正加重に対応する感圧材１０の加重並びに適正色を求めて締め付け時の加重を調整する。図５に、燃料電池セルの構成を示す。図５（ａ）は断面図、図５（ｂ）は一部斜視図である。ＭＥＡ６０、拡散層６２、ガスケット６４、集電体６６、テフロン（登録商標）６８、ガス流路７０、ガスケット７２、温水流路７６が順次積層され、ボルト、ナット７８で締め付ける。ガスケット７２と温水流路７６との間に、感圧紙等の感圧材７４が配設され、透明な温水流路７６を介して外部から感圧材７４が視認できる。ボルト、ナット７８の締め付け時の荷重により感圧材７４の色が変化し、所望の色に変化した時点で締め付けを停止する。
【００２０】
本実施形態の感圧材１０の配設位置の組合せを例示すると以下のとおりである。
（１）各セルの一端面あるいは両端面に配設する。
（２）燃料電池スタックの一端面あるいは両端面に配設する。
（３）各セル及び燃料電池スタックの一端面あるいは両端面に配設する。
【００２１】
各セルの特性を高精度に測定する際には（１）を用い、車両搭載時には燃料電池スタックとして使用することを考慮すると（２）あるいは（３）を用いることができる。（１）の場合においても、透明樹脂の厚さをスタック構造における厚さと等価の値に設定することで、スタック構造におけるのと同様の締め付け荷重に調整できる。
【００２２】
以上、本発明の実施形態について、印加加重により色が変化する感圧材を例にとり説明したが、感圧材として加重印加を電気信号として出力する圧力センサを用いてもよい。圧力センサからのセンサ信号はコンピュータに供給され、コンピュータで所望圧力（ＭＥＡの適正加重に対応する圧力センサの値）と比較される。印加加重により色が変化する感圧材１０を用いる場合には、燃料電池スタックあるいは各セルの最外面は感圧材の色を外部から視認できるように透明とすることが必要であるが、圧力センサの場合には当然ながら透明化は不要である。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】実施形態の燃料電池スタック構造図である。
【図２】感圧材の加重とＭＥＡの加重との関係を示すグラフ図である。
【図３】従来の燃料電池スタック構造図である。
【図４】従来の燃料電池セル構成図である。
【図５】燃料電池セルの構成図である。
【符号の説明】
【００２４】
１０  感圧材、１１  電解質膜、１２  触媒層、１３  拡散層、１４  電極、１５  触媒層、１６  拡散層、１７  電極、１８  セパレータ、１９  セル、２０  ターミナル、２１  インシュレータ、２２  エンドプレート、２４  テンションプレート、２５  ボルト。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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